“冬奧會(huì)皇冠上的明珠”指的就是高山滑雪，這項(xiàng)比賽項(xiàng)目有著極強(qiáng)的速度感、競(jìng)技性與觀賞性。高山滑雪賽道大部分采用的是冰狀雪賽道，冰狀雪指的是滑雪場(chǎng)的一種雪質(zhì)形態(tài)，冰狀雪的狀態(tài)下雪花的密度基本保持在0.65g/cm3，在雪表面有一層薄薄的硬冰殼，能夠用來(lái)減小賽道表面和滑雪板之間的摩擦力，使賽道不宜被破壞，運(yùn)動(dòng)員即便是在高速轉(zhuǎn)彎的情況下，雪道依舊能保持表面不變形。

　　冰狀雪賽道的制作并不簡(jiǎn)單，將雪道翻開(kāi)，并把雪塊破碎成40厘米左右的疏松層之后才能用水泡往里面注水，一邊注水的同時(shí)還要反復(fù)去將濕雪攪拌均勻，以確保賽道內(nèi)的雪層厚度保持一致并且沒(méi)有大氣泡時(shí)能夠迅速將其亞平。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的低溫板結(jié)和下沉，雪道內(nèi)就會(huì)由下而上的在最上層形成硬冰殼。

　　冰狀雪賽道既然如此高難度且困難的制造步驟，那么怎樣才能判斷滑雪賽道是否合格?以往來(lái)說(shuō)，通常是采用人工判斷的方法，讓一些有經(jīng)驗(yàn)的裁判員利用探針安裝在電鉆上進(jìn)行一些觸探工作，通過(guò)觸探工作反饋的手感從而判斷冰狀雪賽道的建造質(zhì)量，全憑經(jīng)驗(yàn)作出判斷的這種“直覺(jué)”性檢測(cè)往往會(huì)使結(jié)果幾乎不具有任何科學(xué)性，同時(shí)也無(wú)法保證運(yùn)動(dòng)員的人身安全。

　　新型冰狀雪測(cè)量?jī)x器為賽道增添合格“證書”

　　中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所南極團(tuán)隊(duì)和中國(guó)氣象科學(xué)研究院為了助力2022年的北京冬奧會(huì)，共同合作研發(fā)了能夠用于判斷冰狀雪賽道質(zhì)量的冰雪粒徑自動(dòng)測(cè)量?jī)x和冰雪硬度自動(dòng)測(cè)量?jī)x。團(tuán)隊(duì)充分考慮了不同于自然雪的人工造雪的特殊情況，并結(jié)合了冰狀雪賽道的特點(diǎn)，將冰狀雪質(zhì)量的人工主觀判斷，變成了客觀、清晰的科學(xué)指標(biāo)，為冰狀雪賽道制作標(biāo)準(zhǔn)的透明化提供了參考依據(jù)。

　　積雪顆粒的形狀及大小是影響雪的力學(xué)性質(zhì)的主要因素，不同大小雪粒之間在自然狀態(tài)下空隙不斷變小，雪中含有的空氣降低，使得雪粒間的化學(xué)鍵合力增強(qiáng)，從而影響雪的硬度?？蒲腥藛T采用了漫散射原理來(lái)測(cè)量積雪的顆粒：近紅外光經(jīng)過(guò)粗糙的表面會(huì)被無(wú)規(guī)律的向各個(gè)方向反射，會(huì)造成光強(qiáng)度減弱，光減弱的大小跟表面的粗糙相關(guān)，而積雪表面的粗糙程度是由粒徑?jīng)Q定的。通過(guò)測(cè)量光減弱的比例，間接地測(cè)量出積雪的顆粒大小。

　　雪的硬度測(cè)試是反映冰雪強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，冰雪硬度測(cè)量?jī)x的原理是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)滑軌驅(qū)動(dòng)探頭打入冰狀雪賽道內(nèi)部，并通過(guò)讀取探頭所收到的反作用力的大小，從而判斷冰雪的硬度條件。冰雪硬度測(cè)量?jī)x能夠做到基本無(wú)損地對(duì)賽道進(jìn)行冰雪硬度的測(cè)量，并且不影響賽道的后續(xù)使用，同時(shí)可以通過(guò)讀取力和冰狀雪深度的曲線了解冰狀雪賽道的均勻性。由于高山滑雪的賽道坡度較陡，人工攀爬十分困難，科研人員在一起的便攜性上還做了特殊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一款折疊式的硬度測(cè)量?jī)x，方便攜帶，可以從坡頂沿雪道一直測(cè)量到坡底，實(shí)現(xiàn)了儀器的“就地展開(kāi)”和“指哪測(cè)哪”的功能。

　　新儀器保障南極天文觀測(cè)地基穩(wěn)定

　　冰雪粒徑自動(dòng)測(cè)量?jī)x和冰雪硬度自動(dòng)測(cè)量?jī)x不僅可以應(yīng)用于滑雪相關(guān)的體育運(yùn)動(dòng)中，在未來(lái)的極地工程建設(shè)上也能發(fā)揮作用。這兩款儀器的研制初衷便是用于檢測(cè)我國(guó)南極昆侖站地區(qū)的冰雪地基承載力。

　　在南極地區(qū)安裝大型望遠(yuǎn)鏡本身就存在著很多實(shí)際的困難，普通的大型望遠(yuǎn)鏡的基墩都是直接安裝在地球的基巖上，這樣基墩比較扎實(shí)穩(wěn)固，能保證望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)時(shí)不會(huì)因?yàn)榈鼗环€(wěn)產(chǎn)生晃動(dòng)，但昆侖站的雪層厚度近4000米，自然雪的密度、強(qiáng)度如果不經(jīng)過(guò)處理的話，是無(wú)法滿足望遠(yuǎn)鏡假設(shè)地基要求的。并且，南極冬夏季溫差較大，夏季的冰面地基因溫度上升會(huì)松動(dòng)。

　　因此，在架設(shè)望遠(yuǎn)鏡前，研究團(tuán)隊(duì)需要對(duì)地基進(jìn)行特殊的加固和隔熱處理，以保證地基穩(wěn)定，使其能夠滿足基墩的設(shè)計(jì)要求。在加固處理完成后，雪粒徑和硬度測(cè)量?jī)x就可以對(duì)加固后的冰雪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)科學(xué)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)其是否能夠滿足南極大型望遠(yuǎn)鏡的需求。

　　在未來(lái)，冰雪粒徑自動(dòng)測(cè)量?jī)x和冰雪硬度自動(dòng)測(cè)量?jī)x還將進(jìn)一步應(yīng)用在南北極、凍土圈，比如極地機(jī)場(chǎng)修建、雪的光反射率測(cè)算等。

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